淺談環(huán)境溫度對智能變送器的影響

竇 坤

（陜西省天然氣股份有限公司，陜西西安710000）

1 引言

智能化變送器屬于溫度變送器，結(jié)合了傳感器技術(shù)與附加電子部件，可以有效遠(yuǎn)程設(shè)定、修改組態(tài)數(shù)據(jù)信息，滿足了順應(yīng)現(xiàn)場的要求。隨著工業(yè)及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的地方開始使用智能變送器，且其類型也逐漸增多。智能變送器在運行期間對技術(shù)具備一定要求，且環(huán)境溫度也會影響其運行效果。在化工生產(chǎn)過程中，環(huán)境溫度的變化將會直接影響化工生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性與安全性。本文便據(jù)此分析了環(huán)境溫度對智能變送器的影響，并指出了具體的應(yīng)用過程，以期為此后智能變送器的應(yīng)用提供更多的借鑒依據(jù)。

2 智能變送器概述

2.1 概述

智能變送器屬于溫度變送器，主要結(jié)合傳感器技術(shù)與附加的電子部件，以實現(xiàn)遠(yuǎn)方設(shè)定與遠(yuǎn)方修改組態(tài)數(shù)據(jù)信息。具體而言，智能變送器是基于微處理器的現(xiàn)場智能儀表，其中智能指的是變送器與傳感器由微處理器驅(qū)動，具備自動診斷與自動通信的能力。美國最早發(fā)明了智能變送器，其除了具備較高的穩(wěn)定性與精確度在，還帶有本公司協(xié)議，后期產(chǎn)品帶有符合現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)的FF協(xié)議，可以改為數(shù)字式的顯示表。利用系統(tǒng)控制遠(yuǎn)程組態(tài)，實現(xiàn)遠(yuǎn)方設(shè)定或修改變送器的組態(tài)數(shù)據(jù)。

2.2 智能變送器特點

作為變送器的核心組件，微處理器可以有效計算、存儲以及處理測量數(shù)據(jù)，并通過反饋回路調(diào)節(jié)傳感器，確保數(shù)據(jù)的采集有效性。微處理器具備硬件與軟件功能，可以有效完成傳統(tǒng)變送器無法完成的任務(wù)。由此看出，智能變送器一定程度上降低了傳感器的制造難度，但提升了其使用性能。除此之外，智能變送器還具備以下特點。一是具備自動補(bǔ)償能力，可以利用軟件自動補(bǔ)償傳感器的非線性、時漂以及溫度等因素，通電后完成傳感器的自檢，確保傳感器各部分處于正常的運行模式。同時，可以保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，根據(jù)自動程序處理數(shù)據(jù)，比如去除異常數(shù)值以及統(tǒng)計處理等。二是具備雙向通信功能，微處理器可以有效接收并處理數(shù)據(jù)信息，并將其反饋至傳感器，以有效調(diào)節(jié)控制測量過程，記憶儲存數(shù)據(jù)信息，包括傳感器的特征數(shù)據(jù)、補(bǔ)償特性以及組態(tài)信息等方面。三是具備數(shù)字量接口輸出功能，可以將輸出的數(shù)字信號連接計算機(jī)或現(xiàn)場總線。

2.3 智能變送器現(xiàn)場應(yīng)用優(yōu)勢

智能變送器有效采用了傳感技術(shù)、微電子數(shù)字處理技術(shù)等高新技術(shù)，代表著新一代變送器的崛起，具備可靠性高、測量范圍寬、量程比大以及精度高等特征，具備數(shù)字通信功能。利用現(xiàn)場通信控制器及通信協(xié)議的DCS系統(tǒng)可以變更、設(shè)定智能變送器的各種參數(shù)信息，有效實現(xiàn)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程調(diào)試以及人機(jī)對話等功能。類似于智能儀表，智能變送器也可以進(jìn)行自我診斷，屬于代表將來現(xiàn)場儀表的發(fā)展方向[1]。

3 環(huán)境溫度對智能變送器的影響

本次研究主要討論分析環(huán)境溫度對智能變送器中硅電容與硅諧振式傳感器元件的具體影響。

3.1 硅電容傳感器

作為智能變送器中的敏感元件，硅電容傳感器體積較小，由硅材料制成。其電容的三個極在晶體硅薄片下進(jìn)過離子刻蝕等微機(jī)械工序加工而成，兩邊為固定電極，中間為可動電極，三個極片構(gòu)成了差動電容，利用金屬化通孔，高壓力pH與低壓力pL作用在測量膜片的兩邊。當(dāng)pH與pL不等時，膜片便會產(chǎn)生一定比例的位移，以致一邊電容量增加，另一邊電容量減少。這種硅微電容傳感器的體積較小，響應(yīng)更快，功耗較低，便于集成。且硅材料具備優(yōu)良的性能，膨脹系數(shù)較小，沒有疲勞，儀表具備較好的溫度性能，無需經(jīng)常調(diào)整。同時，硅膜片的工作位移較小，且位移與壓力具備良好的線性關(guān)系，且測量膜片采用溝狀結(jié)構(gòu)，與理想平行版電容具備類似的移動規(guī)律。智能變送器安裝了測溫傳感器，可以有效修正環(huán)境溫度變化帶來的熱影響，且檢測部件下部安裝了硅微電容傳感器，有效減少了溫度影響。且當(dāng)被測介質(zhì)溫度發(fā)生改變時，與介質(zhì)接觸的膜盒接液部分的溫度也會隨之改變[2]。

3.2 硅諧振式傳感器

硅諧振式傳感器屬于智能變送器的敏感元件，體積較小且功耗較低，具備較快的響應(yīng)速度，屬于微型構(gòu)件，可以與信號處理部分進(jìn)行集成。硅諧振梁結(jié)構(gòu)屬于硅諧振式傳感器的核心部分，采用了三維表面微機(jī)械加工技術(shù)，可以加工為兩個大小形狀相同的H型諧振梁，一個在硅片的邊緣，另一個則在硅片的中央。在壓力作用下，硅片會產(chǎn)生變和應(yīng)力，伴隨膜片，兩個諧振梁也會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。但受位置因素的影響，其所受應(yīng)力各不相同，一個受壓力，另外一個則受拉力，且其諧振固有頻率也會發(fā)生相應(yīng)改變。此時，測量兩個諧振梁的頻率差則可以得到被測介質(zhì)的壓差。硅梁、空腔以及硅膜片等均屬于硅諧振式傳感器的組成部分，被封在微型真空中，不受空氣阻力的影響且不與灌液接觸，其制成的智能變送器具備一定的穩(wěn)定性。橫河智能變送器便采用了硅諧振式傳感器，其具備對稱結(jié)構(gòu)，且硅材料的彈性較好，沒有疲勞與滯后性。傳感器諧振梁振動頻率與差壓輸入信號存在以下關(guān)系，隨著差壓的逐漸增大，中心諧振片的振動頻率逐漸減小，且兩者的頻率差不變。即溫度變化不會影響儀表特性，且在靜壓影響下，邊側(cè)與中心處的頻率均會下降，因此靜壓變化也不會影響儀表性能。

4 智能變送器在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用

4.1 在廢熱鍋爐液位中的應(yīng)用

廢熱鍋爐液位計主要測量天然氣制氫，此時應(yīng)采用羅斯蒙特智能變送器，以測量廢熱鍋爐的液位，或者測量溫度高、波動大以及低壓差的液體，對測量穩(wěn)定性具備較高要求。將水隔離罐安裝至膜盒處，以防蒸汽高溫印象導(dǎo)壓硅油，減少波動。在冬季時，廢熱鍋爐液位存在較大的波動，此時應(yīng)對導(dǎo)壓管進(jìn)行伴熱保溫處理，以防環(huán)境溫度對硅微電容變送器的影響。條件允許時，也可以更換使用硅諧振式變送器。

4.2 在差壓式均速管流量計中的應(yīng)用

氯化氫總管流量計以及差壓式均速管流量計以皮托管測速為基本運行原理，直管道足夠長時，管內(nèi)流速分布為充分發(fā)展紊流，等速線為同心圓，測量直徑幾點流速即可反映整個截面的流速分布情況。硅微電容變送器并不穩(wěn)定，波動較大，且零點漂移也大，并不適用于濕露氣嚴(yán)重且環(huán)境惡劣的動態(tài)，因此應(yīng)更換為硅諧振式傳感器，為工藝控制提供保障，提升測量的穩(wěn)定性。

4.3 在遠(yuǎn)傳壓力上的應(yīng)用

羅斯蒙特硅電容傳感器在于溫度較低且環(huán)境變化較大的場所中無法正常使用，會在天氣寒冷時報故障，更換硅諧振式傳感器變送器后，使用正常，沒有出現(xiàn)故障報警問題。這表明硅電容傳感器受低溫影響較大，冬季使用時應(yīng)做好保溫工作。

5 智能變送器的改進(jìn)建議

一是實現(xiàn)通信的標(biāo)準(zhǔn)化與統(tǒng)一化，為了有效避免溫度因素的影響，智能變送器應(yīng)兼顧采用4-20mA模擬信號，確保協(xié)議終端可以互換數(shù)據(jù)信息，在避免溫度影響因素的基礎(chǔ)上降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本與使用成本。二是重視軟件開發(fā)，擺脫照搬已有軟件程序的現(xiàn)狀，實現(xiàn)軟件編程技術(shù)的創(chuàng)新，完成變送器的二次開發(fā)。三是實現(xiàn)全智能化，高效自動化處理數(shù)據(jù)信息，確保高自動控制。四是實現(xiàn)集成化，增加智能變送器的功能，不再僅僅實現(xiàn)單一功能。比如可以同時監(jiān)測電流、電壓及功率，實現(xiàn)載荷、位移的一體化。且還應(yīng)兼并開發(fā)智能技術(shù)，促使智能變送器面向集成化方向發(fā)展。五是實現(xiàn)多領(lǐng)域化，擴(kuò)展智能變送器的應(yīng)用范圍，除了可以應(yīng)用至石油、醫(yī)藥以及化工等行業(yè)外，還可以應(yīng)用至食品加工、家居環(huán)境實時控制以及樓宇自動化方向[3]。

6 結(jié)束語

智能變送器儀表在經(jīng)過改造后，其自身運行安全性與可靠性得到了明顯提升，可以有效滿足車間工藝的生產(chǎn)需求。由此看出，為了有效保證智能變送器儀器的工作效率，應(yīng)因地制宜的做好儀表選型與安裝工作，并強(qiáng)化儀表維護(hù)管理工作，采用更多先進(jìn)技術(shù)。通過這些改進(jìn)后，智能變送器設(shè)備的運行可靠性會明顯增加，儀器維修工作量明顯減少，在提升生產(chǎn)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，降低了維修成本，為企業(yè)贏得了更多的經(jīng)濟(jì)與社會效益。